無背索斜拉橋結構設計優化對施工過程的影響

（中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050001）

一、引言

無背索斜拉橋結構的合理狀態取決于傾斜主塔和主梁重量之間的充分平衡，如果主梁采用自重較大的混凝土結構，則相應地需要主塔提供較大的傾覆力矩，通過拉索使體系平衡。必要時，可以通過設置主塔橫梁獲得更大的傾覆力矩，也使結構各部尺寸比例恰當，滿足結構平衡和外形美觀的雙重要求。本文以某全混凝土無背索斜拉橋為例，分析輕主塔重橫梁和重主塔輕橫梁這兩種設計方案對施工過程的影響，從施工角度確定設計方案，實現結構安全下的施工效益最大化。

二、工程概況

依托橋梁為跨徑80m+40m的無背索斜拉橋，墩梁塔固結形式。主梁雙室截面的預應力混凝土箱梁，主塔采用實心混凝土矩形截面，傾角59°，順橋向寬度5.0m～8.5m，橋面以上塔高約66m，主塔頂設置3道橫梁，橫梁高度為3m。全橋布置13對拉索，由長到短為C1～C13。橋型布置圖如圖1所示，橋梁主塔共分為10個節段，第3節段至第9節段張拉拉索，主塔施工完畢后依次施工3道橫梁。主梁采用滿堂支架法施工，主塔采用落地支架輔助的翻模法施工。

圖1 依托工程橋跨立面布置圖 （單位：cm）

三、設計方案與模型建立

（一） 兩種設計方案

按主塔和橫梁提供傾覆力矩的貢獻不同，擬定了兩個滿足設計要求的構造方案。方案一為輕主塔重橫梁方案：主塔順橋向長度5m～8.5m，橫橋向寬度為2.5m，橫梁截面3m×3m；方案二為重主塔輕橫梁方案：主塔橫橋向寬度增加至3m，橫梁寬度減小至1.7m。

為了實現最終的成橋狀態，必須控制每個施工階段的張拉索力和立模標高，使控制結果既能滿足成橋后的結構受力、線形要求又能滿足施工階段結構的受力要求。這兩種結構設計方案采用不同的主塔和橫梁重量分配方式，進而影響橋梁構件的截面剛度和橋梁內力分布，也必然會改變施工過程控制參數，在施工階段反映出不同的響應特點。

（二）模型建立

本文采用Midas Civil進行正裝模擬分析，主塔采用變截面梁單元模擬，以準確模擬實際剛度，尤其是對位移影響較大的抗彎剛度。

四、分析方法及初拉索力

斜拉橋的結構特點決定了每根索的內力變化均會引起結構的內力變化，斜拉索初張力和其后期調整索力確定后才能根據主梁的累積位移給出主梁立模或放樣高程等施工過程的各技術參數。核心問題是確定斜拉索初張拉力，主要方法有倒拆計算方法、倒拆-正裝迭代法，正裝迭代法和無應力狀態法等。本文采用正裝迭代法計算得到C1～C13初拉索力值。兩種設計方案的初拉索力對照圖如圖2所示。

圖2 初拉索力對比圖

方案二與方案一相比：主塔重量增加1211t，橫梁重量減少776t，塔以上總重增加435t，其拉索力也隨之增加，增加幅度在1.4%～11.9%，長索索力增加明顯。初張拉時安全系數滿足規范不小于2.5的要求。

五、對施工過程的影響分析

以下通過施工過程中方案一和方案二橋梁線形和內力的計算對照，分析結構設計方案差異對橋梁施工的影響。

（一）對主梁撓度的影響分析

圖3 主梁撓度對比圖

圖4 主塔最大偏位對比圖（邊跨方向為正）

如圖3所示，主塔及橫梁重量的不同分配方式對主梁影響整體上較小，該影響主要反映在主塔端部施工時。

（二）對主塔偏位的影響分析

方案二主塔抗彎剛度相對方案一增加1.2倍，如圖4所示，方案二主塔各階段的偏位均處于方案一主塔偏位的范圍內，表明主塔抗彎剛度增加后施工時主塔偏位變小，這對于控制主塔位移較為有利。方案一在主塔澆筑第一道橫開始，位移變化明顯大于方案二，且成橋后位主塔位移近20cm，說明對方案一主塔和橫梁重量重新分配增加主塔剛度是必要的。

圖5 塔根截面應力對比圖

圖6 索力應力對比圖

（三）對主塔關鍵截面應力的影響分析

塔根部為關鍵應力控制截面，如圖5所示，方案一因主塔橫梁配置集中、重量大，而主塔抗彎剛度相對小，導致塔根下緣應力超限，最大拉應力4.7MPa，存在混凝土開裂風險，應采取分次張拉或調整施工順序等措施以保證施工安全和質量。方案二主塔上緣和下緣拉應力均有所減小，下緣拉應力降低明顯。

（四）對各階段索力的影響分析

如圖6所示，方案二在各施工階段的索力值隨塔重增加而有所增加，相對方案一最大增幅10.3%。兩方案索力安全系數均滿足規范要求。

六、結語

方案一橫梁較重且配置集中，而主塔剛度相對較小，對主塔和橫梁重量重新分配并增加主塔剛度是必要的。

方案一塔根部混凝土最大拉應力4.7MPa，有開裂風險，必須采取調整施工順序、分次張拉等有效措施。

方案二主塔剛度增加后，主塔偏位和主梁撓度減小，對線形控制有利；施工過程主塔應力變化幅度小且處于安全范圍，對施工過程安全有益。這反映了不同結構設計方案的塔身剛度和橫梁重量的變化對施工階段塔根應力的直接影響。

方案二比方案一總體上增加混凝土用量164m3，但減少了三道橫梁高空混凝土澆筑作業量293m3，整體上施工費用相當。

綜合考慮施工過程安全、施工質量可控，施工費用節約等因素，推薦選用方案二，即重主塔輕橫梁方案。